Газообразное топливо (природный газ)

Наиболее распространенным газообразным топливом, при­меняемым в цементной промышленности, является природный газ. Основные компоненты природного газа —метан СН4 и этап СгНб. Тяжелые углеводороды, например пропан, бутан,, пентан и гексан, присутствуют в природном газе в незначитель­ных количествах. Если в природном газе содержатся пентан и гексан, то он называется влажным. Эти фракции (иногда без. пропана) часто удаляются при сжижении природного газа.

Неразветвленные углеводороды называют нормальными и обозначают буквой п, например л-бутан, в то время как осталь­ные обозначают путем прибавления приставки «изо», напри­мер изобутан. Если в природном газе присутствует сера, то она выступает в форме сероводорода H2S. Иногда в природном газе — содержится до 10% инертных газов, например диоксид угле­рода СОг, азот N2 и гелий Не. Теплота сгорания природного — газа равна 8000—10000 ккал/м3 при 16,5° С и 756 мм вод. ст. (стандартные условия США для природного газа).

Из-за повышенного расхода газа на отопление жилых зданий в зимнее время в США природный газ отпускается промышлен­ным потребителям непостоянно. Это заставляет для эксплуата­ции печей в зимнее время использовать другой вид топлива—ма­зут или уголь. В табл. 19.9 приведены результаты анализа газа некоторых американских газовых месторождений.

Голландский природный газ (Гронингенское месторожде­ние), импортируемый в ФРГ, имеет следующий состав, %: СН4— 81,5; С2Н6—2,7; N2—14; С02—0,9 и С3Н8+— 0,9*. Теплота сго­рания Hv=8400 ккал/м3.

Таблица 19.9. Характеристики природного газа США

Составляющие, % по объему

Плотность (для воз­духа 1,0)

Месторождение

Со2

N*

Сн,

Сн.

Н0-

Ккал/м3

Нц.

Ккал/м3

Тексакана

0,80

3,20

96,00

_

0,57

8602

7766

Кливленд

1,30

80,50

18,20

0,65

10060

9118

Ойл сити

1,10

67,60

31,10

0,71

10957

9963

Природный газ из южнофранцузского месторождения, на котором работает ряд цементных заводов, имеет следующий со­став, %:СН4 95—97,5; С«Нт 5—2,5; N2<1. Теплота сгорания Ни=8840 ккал/м3. Этот газ сжигается на цементных заводах в виде смеси, состоящей из 30—40% угольной пыли и 60—70% газа.

19.3.1. Теплота сгорания. Теплота сгорания топливной смеси равна сумме значений теплоты сгорания отдельных компонен­тов. Если топливо представляет собой химическое соединение, то теплота сгорания равна сумме теплот сгорания отдельных элементов, уменьшенной на тепловую энергию, расходуемую на диссоциацию молекул этого соединения.

Для природного газа тепловая энергия, расходуемая на дис­социацию химических связей между водородом и углеродом, в молекулах углеводородов составляет около 9% полной тепло­ты сгорания [174а]. Теплота сгорания метана равна: СН4 + 202 = С02 + 2Н20 + 213000 кал.

Однако, если С и Нг сгорают отдельно, получим: С + 02 = С02 + 97200 кал;

2Н2 + 02 = 2Н20 + 136 800 кал.

Всего 234 000 кал.

В соответствии с законом Гесса, на расщепление 1 моля метана расходуется

СН4 = С + 2Н2 — 20 900 кал.

Поэтому получаем: 234000—20900=213100 кал, т. е. почти то же значение, которое получено в калориметре при сгорании метана. Теплота расщепления составляет

20 900-100

= 8,93%.

234 000

Хотя теплота расщепления учитывается при определении — теплоты сгорания калориметрическим методом, Вальберг [174а]

Таблица 19.10. Повышение расхода тепла при обжиге клинкера в печах с теплообменниками, работающих на природном газе, по сравнению с расходом тепла при применении жидкого топлива

Производительность вращающейся печи, т/сут

Расход тепла при примене­нии жидкого топлива, ккал/кг

Расход тепла при примене­нии природного газа, ккал/кг

400

830

900

810

900

940

1600

820

850

1600

750

835

3500

740

780

Утверждает, что расход тепла на расщепление молекул явля­ется причиной того, что температура факела природного газа примерно на 70—150° С ниже, чем температура пылеугольного

Газообразное топливо (природный газ)

Tv cF у, мУм3

Газообразное топливо (природный газ)

Рис. 19.16. Зависимость Рис. 19.17. Объем продуктов горения температуры факела смеси природного газа V, м3/м3 газа (при иор — природиого газа с возду — мальных условиях), в зависимости от хом t от избытка воздуха а высшей теплоты сгорания q, ккал/м3 (состав природного газа, %: СН4—85,5; С2Н6—13,8; N2— 0,7; температура газа и воз­духа 15° С)

Факела. Сам по себе этот факт хорошо известен из опыта экс­плуатации вращающихся печей. Поэтому при использовании природного газа следует поддерживать как можно более вы­сокую температуру вторичного воздуха и максимально снижать избыток воздуха, необходимого для горения.

Из практики известно, что для обжига клинкера во вра­щающихся печах при использовании природного газа требует­ся больший расход тепла, чем при применении жидкого топлива или угля. Эти данные приведены в табл. 19.10 на примере не-

Таблица 19.11. Характеристика составляющих природного газа

Характеристика

Метан

Этан

Пропан

Бутан

Пентан

Молекулярная масса

16,04

30,07

44,09

58,12

72,15

Доля углерода по массе, %

74,88

79,88

81,72

82,66

83,33

Плотность (для воздуха рав­

0,555

1,048

1,550

2,084

2,490

На 1)

Высшая теплота сгорания Н0,

9000

15773

22442

29084

35745

Ккал/м3 газа

Удельная теплоемкость газа

0,526

0,413

0,390

0,396

0,402

При 15° С, ккал/(кг-°С)

Максимальная наблюдаемая

1861

1867

1905

1876

Температура факела в возду­

Хе, °С

Воздух, необходимый для го­

9,55

16,70

23,86

31,02

38,19

Рения, м3/м3 газа

Продукты сгорания, м3/м3 га­

За; С02

1,0

2,0

3,0

4,0

5,0

Н20

2,0

3,0

4,0

5,0

6,0

N2

7,55

13,20

18,86

24,52

30,19

Скольких печей с теплообменниками, где предусмотрено сезон­ное переключение с жидкого топлива на природный газ и на­оборот. Повышение расхода тепла служит причиной снижения производительности печи. Например, в случае, приведенном в четвертой строке табл. 19.10, суточная производительность печи после переключения на природный газ снижается с 1600 до 1500 т.

В разд. 19.3.5 приведено объяснение повышенного расхода тепла при использовании природного газа по сравнению с отоп­лением жидким топливом и углем.

19.3.2. Температура факела. На рис. 19.16 приведена диаг­рамма, показывающая температуру факела при использовании природного газа с различной долей избыточного воздуха [175].

19.3.3. Объем продуктов сгорания. Горение компонентов природного газа протекает в соответствии со следующими урав­нениями:

Метан СН4 + 202 = С02 + 2Н20; этан 2СаН6 + 702 = 4С02 + 6Н20; пропан 2C3Hg + 10О2 = 6С02 + 8Н20; бутан С4Н10 + 6,502 = 4СО* + 5Н20; пентан0 С5Н« + 802 = 5СОа + 6Н20.

С помощью этих уравнений можно определить объем про-

! При расчетах процессов сгорания углеводородов, которые тяжелее пен — тана, в уравнения подставляют пентан.

Дуктов сгорания природного газа, когда известен его состав. Пример такого расчета дан в разд. 19.3.4.

На рис. 19.17 приведена диаграмма объема продуктов в м3, выделяющихся при сгорании 1 м3 природного газа с различной теплотой сгорания при 10%-ном избытке воздуха.

В табл. 19.11 приведены плотность, теплота сгорания и дру­гие данные по легким углеводородам.

19.3.4. Сгорание природного газа. Приведенный ниже рас­чет объема и массы продуктов сгорания природного газа осно­ван на следующем составе газа, полученном в результате ана­лиза («Саутерн Нэчьюрэл Гас Компани», Басс Юнкшен, Джорд­жия, США):

Компонент

N2 соа сн4

С2Нв

С3н8

(‘-С4Ню Л-С4Н10 t-C5 Н12 П-С5Н12 С5Н14 +

Поскольку газоанализатор измеряет газ, насыщенный водяным паром, для учета наличия водяного пара при расчете теплоты сгорания необходимо уменьшить объем газов на 1,73%; в рас­сматриваемом случае получаем

9323 (1,0000 — 0,0173) = 9162 ккал / м3

Этот газ имеет следующий состав по массе:

Л л 943,9-16 „ СН4 943,9л = — 22 — = 674 г;

28,9-30

С2Н6 28,9л=-^-=39г; 7,9-44

С3Н8 7,9 л = ——— = 15 г;

З в, 224

3,4-58 „ С4НІ0 3,4 л = -^- = 9 г;

2,1-72

С6Н12 + 2,1 л = -^- = 7 г; 5-28

Кг 5,0 л =———— — = 6 г;

Объем, %

Btu/куб. фут

Hq, по расчету

0,50

0,0

0

0,88

0,0

0

94,39

1012,3

956

2,89

1773,1

51

0,79

2522,8

20

0,16

3260,5

5

0,18

3269,5

6

0,07

4009,5

3

0,05

4018,3

2

0,09

5355,1

5

100,00

1048 Btu/куб. фут=

= 9323 ккал/м3

Г 22,4

8,8-44

CO. 8,8 л = ———— = 17 г;

2 22,4

1000,0 л= 1 м3 = 767 г.

Иногда теплота сгорания природного газа определяется в расчете на 1 кг газа:

9162-1000

■ = 11945 ккал/кг.

767

При сгорании 1 м3 природного газа получают: 674 г СН4 + 2696 г 02 + 9026 г N2 = 1853 г С02 + 1517 г Н20 + 9326 г N2; 39 г С2Н6 + 146 г 02 + 489 г N2 = 115 г С02 + 70 г Н20 + 489г N2; 15 г С3Н8 + 54 г 02 + 181 г N2 = 45 г С02 + 24 г Н20 + 181 г N2; 9 г С4Н10 + 32 г 0-2 + 107 г N2 = 29 г С02 + 14гН20+ 107rN2; 7 г С5Н12 + 25 г 02 + 84 г N2 = 21 г С02 + 11 г Н20 + 84 г N2; 6 г N2 = 6 г N2;

17 г СО-2 = 17 г С02

767 г газа + 2953 г 02 + 9887 г N2 = 2078 г С02 + 1636 г Н20 + 9893 г N2; 1 м3 газа + 9,932 м3 воздуха = 10,932 м3; 1,051 м3 С02 + 2,036м3Н20 + 7,909m3N2= 10,996м3 продуктов сгорания.

= 12,219м3.

Если горение проходит при 10%-ном избытке воздуха, объ­ем продуктов сгорания составляет

10,966-100 93

Избыток воздуха по объему равен

12,219— 10,996= 1,223 м3

И состоит из

1,223-0,21 = 0,257 м3 02 == 367 г 02; 1,223-0,79 = 0,966м3 N2 = 1208 г N2.

При этом получаем следующий состав продуктов сгорания:

Компонент

Объем, м!

Объем, %

Масса, г

Масса, %

Со2 н20

N2 02

1,051 2,036 8,875 0,257

8,60 16,70 72,60 2,10

2078 1636 11101

367

13,70 10,80 73,10 2,40

Всего

12,219

100,00

15182

100,00

Масса продуктов сгорания равна массе исходных продук­тов, г:

Воздух, необходимый для горения…………………………………………………………… 12 840

Избыточный воздух………………………………….. •…………………………………………. 1 575

Природный газ………………………………………………………………………………………. 767

Всего……………………………………………………………………………….. 15 182

19.3.5. Объем продуктов сгорания при сжигании угля, жид­кого топлива и природного газа. При сжигании угля, жидкого топлива и природного газа выделяется различный объем про­дуктов сгорания на одинаковое количество тепловых единиц.

Объем продуктов сгорания (с 10%-ным избытком воздуха), выделяющихся при сжигании угля, жидкого топлива и природ­ного газа, в расчете на 1000 ккал составляет, м3: для угля — 1,24; для мазута— 1,31; для природного газа— 1,47.

Таким образом, жидкое топливо выделяет примерно на 6%, а природный газ — на 18,5% больше продуктов сгорания, чем уголь. Эти данные следует учитывать при расчете печей.

Повышенный объем продуктов горения жидкого топлива и природного газа позволяет объяснить рост расхода тепла при использовании жидкого топлива и особенно природного газа по сравнению с углем. Очевидно, что при сжигании угля требуется меньше воздуха, чем при сжигании жидкого топлива и особенно природного газа в расчете на 1000 ккал. Повышенный расход воздуха, необходимого для горения, приводит к следующим результатам:

Снижение температуры факела жидкого топлива и природ­ного газа по сравнению с углем;

Увеличение количества отходящих газов и соответственно рост потерь тепла;

Повышение скорости газов во вращающейся печи и связан­ное с этим ухудшение теплообмена между газом и обжигаемым материалом;

Снижение производительности печи и связанное с этим по­вышение удельных потерь тепла во внешнюю среду.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *